河之役中，在增援大凌河战斗中因逃跑而导致全军溃败，遂被削职，但吴三桂仍然被朝廷留在军中供职。《明清史料》记载，崇祯十二年，吴三桂在27岁时被任命为宁远团练总兵，至此效力朝廷更倍于前。在次年五月与清兵在杏山的遭遇战中，吴三桂一得到警报，立即出动3000人马“长驱直过杏山”，“与贼血战”。最后他奏报战斗“大获全胜”。《明史》这样记载了此后的松山、杏山战斗中，吴三桂部“胆勇倍奋，士气益鼓”，“凡三战，松山、杏山皆捷”。在锦州被围之际，吴三桂在众运粮官“惊心奴儆”的情况下，亲自“督运米车”，成功躲过清军的监视，在春节期间将粮食运入锦州。《明档》记载他自当总兵后“忠可炙日，每逢大敌，身先士卒，绞杀虏级独多”。
忠孝和背叛
然而在决定明清战争命运的松山决战中，吴三桂前后表现却判若两人。在初战中，洪承畴在小胜后上报朝廷的奏章中称赞:“吴三桂英略独擅，两年来，以廉勇振饬辽兵，战气倍尝，此番斩获功多。”然而在此后决战中，他却未能和主帅兼老师的洪承畴同命运，反而擅自撤逃。尽管他布置有方，成为战争中损失最小的一部，以至清太宗赞叹他:“吴三桂果是汉子！得此人归降，天下唾手可得矣。”然而无论如何，一向被明朝视为“敢战”的他在决战中逃之夭夭，李治亭认为实在“难以解释，而最终他竟没有受到朝廷处罚，也同样令人意外”。
吴三桂父亲吴襄说，他们父子有家丁三千人。在决战中自率部署逃跑，因此李治亭认为，惟一可能解释，是吴三桂为保存自身性命和自家的军事实力。他认为，“以祖大寿和吴三桂为代表的关外豪族，凭借自身军事实力，才成为明清朝廷都全力争取的力量”。这也是吴三桂几乎从来没受到猜疑极重的崇祯惩罚的原因。李自成东渡黄河向北京进军后几天，崇祯就曾在德政殿召集大臣商讨调吴三桂入关事宜。其时崇祯征召全国兵马“勤王”，几乎无人响应，吴三桂的关宁铁骑，是朝廷惟一能够调动的机动力量。
正当崇祯皇帝和大臣们为了避免承担失地的责任相互推诿时，吏科都给事中吴麟征不畏崇祯可能“事定以‘弃地’杀我辈”的危险，强调了将吴三桂撤离宁远的重要性:“……吴三桂勇将益收用，(不可)委之敌人。”此后他更再次上书，指出，“边臣不可令有惧心，尤不可令有死心。臣读三桂疏，言切情微，若有格格不忍言之意。臣知其有惧心……”其实当时吴三桂给崇祯的上奏，已经显示他主张从宁远撤退的意思。
然而受封“平西伯”的吴三桂接到勤王的圣旨，从驻守的宁远(今天辽宁兴城)到山海关一百二十公里距离，竟走了八天。此前金军入侵北京周边时，镇守宁远的袁崇焕为解金兵之围，曾以精锐昼夜兼程赶赴北京。而此次吴三桂却“迁延不急行，简阅步骑”，然后才亲率精兵殿后，这其中有没有政治上的权衡，后人已不可考。事实是，当吴三桂迟迟抵达河北丰润，崇祯皇帝已于前日自缢于煤山。《明季北略》记载，吴三桂于是感到再去勤王已没有实际意义，马上拨转马头会师山海关。在崇祯下令吴三桂入关前，为反驳吴三桂有降清之意的谣言，吴襄曾很肯定地说:“三桂忠孝，必不至此。”
